3.1 电解着色工艺的改进
3.1.1 铝合金表面着亮黑色工艺[7]
此工艺是经锡铜离子在着色电解槽中进行着色反应后生成的二元金属氧化物膜层,色泽墨黑亮丽,是一种独具特色的铝合金防腐蚀和装饰材料。电解着色液组成为:30% SnSO4,30% NiSO4,15% CuSO4的混合溶液。经氧化处理的铝材为阳极,以石墨电极为阴极,50Hz220V交流电源经调压器调至8V后输入电解槽,电解着色10min,即可得到亮丽的黑色铝合金表面。
3.1.2 阳极化铝光干涉电解着色工艺[8]
在用锡盐进行光干涉电解着色的研究中发现,获得蓝色的干涉色最为困难,用普通电解着色方法着色,获得蓝色也是困难的,于芝兰等人在此方面进行了研究。实验材料为L2(2号工业纯铝,含铝99.6%)和LD31(相当于美国的6063),试样尺寸L250 mm×50mm×1mm,LD3125mm×25mm角材,1.3mm厚,其表面积为0.68dm2;阳极氧化条件,H2SO4(ρ=1.84g/cm3)180g/L,18℃,1.2-1.4A/dm2,30min,膜厚12-14μm;用磷酸直流扩孔处理;锡盐电解着色:SnSO416g/L,H2SO414g/L,混合添加剂16g/L,18-20℃,交流着色电压12-14V,此外还使用铜盐和Cu-Ni混合盐电解着色,可得到黄红、绿、蓝较稳定的干涉色。
3.2 开发新电源是开拓电解着色新工艺的重要手段[9]
改变电源波形和施电方式来提高阳极氧化膜综合性能和开拓电解着色新工艺,是新的研究热点。己商品化的有脉冲、电流反向(换相)和直流脉冲等电源。功能性氧化和着色兼容的微弧氧化电源,是以提高氧化速度、厚度均匀性、硬度、孔隙率分布和改善孔结构形态为目的。研究新电源可克服化学和电化学方法中的缺陷和局限。
4 封闭处理
为了提高阳极氧化膜的耐蚀、抗污染、电绝缘和耐磨等性能,铝及铝合金在阳极氧化和着色后都要进行封闭处理。其方法较多,对不着色的氧化膜可进行热水、蒸汽、重铬酸盐和有机物封闭;对着色的氧化膜可用热水、蒸汽、含有无机盐和有机物等封闭。
4.1 封闭的主要方法
4.1.1 沸水和蒸汽封闭
采用水蒸汽封闭法,可以有效地封闭所有的孔隙。若在封闭前将氧化后的制件进行真空处理一段时间,则封闭效果更加明显。蒸汽封闭的特点是不发生颜色的透扩散现象,因此不宜出现“流色”。但是蒸汽封闭法所用的设备及成本较沸水法高,所以除非有特殊要求,应尽可能使用沸水法封闭。当用蒸汽封闭时,温度应控制在100-110℃,时间为30min,温度太高,氧化膜的硬度和耐磨性严重下降,因此蒸汽温度不可太高。
4.1.2 重铬酸盐封闭
此法适宜于封闭硫酸溶液中阳极氧化的膜层及化学氧化的膜层,用本方法处理后的氧化膜显黄色,耐蚀性高,但不适用于装饰性使用。这种方法的实质是在较高的温度下,使氧化膜和重铬酸盐产生化学反应,反应产物碱式铬酸铝及重铬酸铝就沉淀于膜孔中,同时热沉淀使氧化膜层表面产生水化,加强了封闭作用,故可认为是填充及水化的双重封闭作用。通常使用的封闭溶液为5%-10%的重铬酸钾水溶液,操作温度为90-95℃,封闭时间为30min,沉淀中不得有氯化物或硫酸盐。
4.2 封闭处理工艺的改进
4.2.1 常温封闭的研究[10]
常温封闭具有节能、封闭时间短及封孔效果好等优点,己得到广泛的认可及接受。
常温封闭液配方及工艺条件如下:
醋酸镍 5-8g/L
氟化钠 1-1.5g/L
表面活性剂 0.3-0.5g/L
添加剂A 3g/L
pH值 5.5-6.5
T 25-60℃
t 10-15min
常温封闭工艺所获得的封闭膜具有紧密的结构及优良的耐蚀性能。和沸水封闭方法比较,具有速度快、节约能源、操作简单、原料来源方便等优点。封闭时间越长,其性能越好。
4.2.2 水解盐封闭法[11]
水解盐封闭法,又称钝化处理。目前在国内应用较广泛,主要用于染色后膜封闭,其封闭机理是易水解的钴盐与镍盐被氧化膜吸附后,在阳极氧化膜微细孔内发生水解,产生氢氧化物沉淀将孔封闭。工艺配方为:
NiSO4·7H2O 4-5g/L
CoSO4·7H2O 0.5-0.8g/L
H3BO3 4-5g/L
NaAc·3H2O 4-6g/L
pH值 4-6
T 80-85℃
t 15-20min
此法克服了沸水封闭的许多缺点,封孔质量达到了国家标准。
4.3 微弧阳极氧化
微弧阳极氧化又称微等离子体氧化或阳极火花沉淀,是阳极氧化技术的发展,它使用比普通阳极氧化高的电压。微弧阳极氧化突破传统阳极氧化的限制,将Al、Ti、Ta等金属或其合金置于电解液中,利用电化学方法,使该材料表面微孔中产生火花放电斑点,在热化学、等离子体化学和电化学共同作用下,生成陶瓷膜层的阳极氧化方法。放电过程中,每平方厘米铝阳极表面约有105个火花存在,放电时瞬间温度可达8000K以上,生成一种性能类似于烧结碳化物的陶瓷膜。此氧化膜硬度特高,耐磨,绝缘电阻高。在特殊电解液中氧化还可以形成不同色调花纹的瓷釉质感的铝表面,既可作高等装饰材料又可作功能膜,如汽车活塞环、电子工业的绝缘层等。微弧阳极氧化技术采用高电压,大电流的工作方式,在制取多功能保护涂层方面获得越来越广泛的应用,在航天、航空、机械、电子、纺织等工业领域有广阔的应用前景。
4.3.1 微弧阳极氧化陶瓷膜层的性能研究[12]
卢立红等人采用脉冲电源,对发动机活塞用铝合金(ZL108)基体进行了微弧氧化处理。
工艺流程为:除油→去离子水漂洗→微弧氧化→自来水冲洗→自然干燥。电解液主要成分为柠檬酸三钠和磷酸钠。微弧氧化电压:工作电压可调,起始击穿电压为80V,最高工作电压为230V。实验表明,微弧氧化膜层表面粗糙度高于一般电镀层和阳极氧化层,远低于各种喷涂层。随着电流密度及强化时间的增加,膜层的表面粗糙度增大。最初随着电流密度的增加,所获得膜的硬度也增加,超过8A/dm2以后,膜层硬度趋于稳定。经微弧氧化后,耐磨性提高了3-4倍。
4.3.2 微弧阳极氧化技术的改进
4.3.2.1 微弧氧化自润滑陶瓷覆层[13]
陶瓷层的弱点是摩擦系数高,对磨件磨损加剧。采用一步法电化学方法进行了微弧氧化陶瓷层摩擦学改性研究。采用自制专用脉冲电源,基体材料为ZL108,以碱性微弧氧化电解液为基础,溶入适量硫代钼酸铵及相应添加剂。实验表明,采用微弧氧化后,在铝合金表面一步法共生合成了自润滑陶瓷涂层,其摩擦系数由一般微弧氧化涂层的0.8-1.2降至0.2-0.5,用此工艺制备的摩擦副摩擦学性能显著改善,延长了使用寿命。
4.3.2.2 微弧氧化陶瓷层石墨相
采用在微弧氧化过程中同步沉积石墨相的方法可提高陶瓷层的减摩性能,对其进行磨损实验,基体材料为ZL108,所用电解液为NaOH溶液,向原电解液中加入的减摩离子为石墨,同时电解的温度不超过40℃。搅拌使石墨离子悬浮。实验表明,在电解液中加入石墨的方法对ZL108进行微弧氧化的同时,在陶瓷层中同步沉积了石墨第二相,实现了对铝合金微弧氧化陶瓷层减摩改性的目的。
5 阳极氧化技术的展望
铝及铝合金阳极氧化技术以提高氧化速度和硬度为发展方向。为提高氧化速度和综合性能建议采用带有脉冲波的EOE-88系列脉冲电源,其输出电压和电流中脉冲成分丰富,相当于每秒有300个小脉冲波叠加在直流波上,成膜速度快。对于厚膜氧化,可采用频率为3-13.3Hz的“快脉冲”电源,充分发挥节电、提高速度和硬度的优势。这种电源在氧化膜为12μm以下时优点不明显。
复合阳极氧化作为一种新型的阳极氧化技术,分别在硫酸、草酸和磷酸三钠电解液中添加如Fe3O4、CrO2、TiO2等磁性粉体,Al2O3、SiC、SiN等超硬粉体和石墨等导电性粉体(微米级),使其悬浮于电解液中进行阳极氧化。该工艺具有操作容易、设备简单、成本低等优点,与常规阳极氧化比较,其氧化速度、操作